馬建軍

（飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

飛機(jī)實驗室氣候試驗是以一架可飛行的全狀態(tài)飛機(jī)為試驗對象，在氣候?qū)嶒炇抑袑ζ涫┘訙囟?、濕度、太陽輻射、降雪、淋雨、吹風(fēng)等氣候環(huán)境，考核其在極端氣候環(huán)境下的功能和性能[1-2]，確保飛機(jī)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性[3]。飛機(jī)實驗室氣候試驗與外場試驗一樣是高度動態(tài)的，將真實地復(fù)現(xiàn)飛機(jī)在極端環(huán)境下浸泡一夜后[4]，飛機(jī)啟動APU 或發(fā)動機(jī)，操作各飛機(jī)系統(tǒng)，檢查飛機(jī)各系統(tǒng)功能是否正常，性能是否出現(xiàn)衰減[5-7]。飛機(jī)的APU 啟動和工作一方面是試驗對象，一方面又為其他子系統(tǒng)提供氣源或電源等動力[8]。APU 啟動時會噴出高溫尾氣，必須將APU 的高溫尾氣安全地排出實驗室，避免影響試驗環(huán)境，保障試驗安全。本文通過CFD 仿真技術(shù)[9]，對APU 高溫尾氣的排放方法和排放影響因素進(jìn)行了分析，為APU 尾氣排放系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 氣候?qū)嶒炇覂?nèi)APU 開車高溫尾氣排放方法

美國麥金利實驗室進(jìn)行過B787、A350、CS100、MRJ190 等多架民機(jī)的氣候試驗，其APU 高溫尾氣是通過一根排氣管道排出實驗室外的，如圖1 所示。通常情況下，高溫尾氣都是“被動排放”的[10]，即依靠APU 高溫尾氣較高的氣流速度進(jìn)入排氣管道，從而排出實驗室，同時會引射一部分周圍空氣一同排出，類似一個引射器。相關(guān)引射器方面的研究表明，排氣管道的特征參數(shù)，包括管道直徑、距離、形狀、背壓等[11-15]，對主氣流和被引射氣流之間的相互影響存在一定的影響。這些研究基本集中在超聲速甚至高超聲速引射方面，側(cè)重于對引射器性能（如引射系數(shù)、總壓恢復(fù)系數(shù)等）的研究，而APU 尾氣速度則相對較低，關(guān)于APU 尾氣排放的分析尚不多見。

圖1 龐巴迪CS100 飛機(jī)APU 尾氣排放Fig.1 Bombardier CS100 APU Exhaust Gas Emission

理想情況下，排氣管道的存在不應(yīng)改變APU 的正常工作狀態(tài)，APU 排氣參數(shù)不應(yīng)發(fā)生改變。從實驗室溫度和壓力穩(wěn)定的角度來說，將APU 高尾溫氣連同被引射空氣排出實驗室，必須同時向?qū)嶒炇覂?nèi)補(bǔ)充等量且與室內(nèi)溫度相同的新風(fēng)，排放量越大，所需新風(fēng)量越大，配套的新風(fēng)系統(tǒng)能力也越大，因此APU尾氣排放系統(tǒng)的設(shè)計流量也不宜過大。

2 模型建立

飛機(jī)和APU 尾氣排放管道在實驗室中的安裝如圖2 所示，排氣管道對接APU 尾氣出口，排氣管道的出口在實驗室的右后方。針對研究的目標(biāo)，取實際模型的一部分進(jìn)行研究并進(jìn)行簡化（如圖3 所示），簡化模型包括飛機(jī)后機(jī)身、APU 排氣口、APU 管道、APU 附近大氣、排氣管道等。以APU 排氣管道的出口圓心作為坐標(biāo)原點，APU 排氣口和APU 管道的直徑d為0.3 m，APU 軸心距離地面高度4 m，排氣管道X方向長30 m，管道的彎頭半徑為管道直徑的2 倍。

圖2 飛機(jī)和APU 排氣管道在實驗室中安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of the installation of aircraft and APU exhaust pipes in the laboratory

圖3 簡化模型Fig.3 Simplified model

對簡化模式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4 所示。網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，在APU 管道和排氣管道壁面設(shè)置邊界層，邊界層第一層網(wǎng)格高度為0.001 mm，以使壁面y+為1 左右，并且在APU 管道出口和排氣管道入口附近進(jìn)行網(wǎng)格加密設(shè)置，網(wǎng)格數(shù)量為480 萬。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh division: a) X=0 section grid distribution;b) local grid densification

選用k-wSST 湍流模型[16-20]，邊界條件設(shè)置如下。

1）APU 排氣口：質(zhì)量流量入口，流量為3.5 kg/s，溫度to為381 ℃，湍流強(qiáng)度為5%，湍流耗散系數(shù)為10%。

2）周圍大氣：壓力入口，總壓為0 Pa，溫度ta為20 ℃，湍流強(qiáng)度為2%，湍流耗散系數(shù)為2%。

3）排氣管道出口：壓力出口Pex為0 Pa，溫度為20 ℃，湍流強(qiáng)度為2%，湍流耗散系數(shù)為2%。

4）機(jī)身、APU 管道壁面、排氣管道壁面：本文不分析機(jī)身等表面對實驗室內(nèi)溫度場的影響，因此均設(shè)置為絕熱壁面。

APU 高溫尾氣成分比較復(fù)雜，但主要成分仍然是空氣，本文重點研究的是管道特征對流動參數(shù)的影響，故APU 尾氣按空氣計算，空氣密度采用理想氣體模型，空氣黏性采用薩特蘭公式進(jìn)行計算。壓力–速度耦合計算采用SIMPLE 算法，壓力、動量、湍流、能量方程采用二階迎風(fēng)差分格式，當(dāng)排氣管道出口質(zhì)量流量變化在1×10–5kg/s 以內(nèi)時，認(rèn)為計算收斂。

3 結(jié)果分析

3.1 自由射流狀態(tài)

APU 尾氣自由射流狀態(tài)下（無排氣管道）的流動分布特性如圖5a 所示，APU 排氣口的出口速度達(dá)91 m/s，當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)為0.18，屬于亞音速氣流，總壓為2 377 Pa。APU 尾氣高速射流離開APU 管道后，由于射流邊界速度的不連續(xù)性而產(chǎn)生剪切效應(yīng)，射流與周圍大氣產(chǎn)生能量交換，不斷消耗射流的能量，直到射流的最中心區(qū)域。射流軸心處的速度及APU 管道出口不同距離處的速度剖面如圖5b 所示，射流軸心速度在離開APU 管道出口一段距離內(nèi)未見衰減，該段稱為射流的起始段，此后軸心速度開始迅速衰減，稱為射流的主體段，射流與大氣分界處稱為邊界層，射流的擴(kuò)散角為34°。

圖5 APU 尾氣自由射流Fig.5 APU exhaust gas free jet: a) flow trace and velocity field; b) velocity profile

APU 尾氣自由射流狀態(tài)下的壓力分布如圖6 所示?？梢?，在沒有任何其他約束條件下，射流內(nèi)部靜壓與周圍大氣基本一致，在20 Pa 以內(nèi)。

圖6 APU 尾氣自由射流壓力場分布Fig.6 Pressure field distribution of APU exhaust gas free jet

3.2 管道直徑與管道入口距離

排氣管道出口壓力Pex=0 Pa，直徑D為2 倍的APU 排氣管道直徑d時，不同的排氣管道入口距離L下APU 管道出口附近的壓力分布如圖7 所示。可以看出，當(dāng)L/d為0 時，APU 管道出口附近出現(xiàn)了較大的負(fù)壓，導(dǎo)致APU 的排氣總壓Po僅為2 158 Pa，小于自然射流時的2 377 Pa，對APU 正常工作參數(shù)產(chǎn)生了影響。隨著L的增大，負(fù)壓區(qū)域逐漸遠(yuǎn)離APU管道出口。當(dāng)L/d=2.0 時，APU 管道出口處的壓力與自然射流狀態(tài)下的基本一致。

圖7 管道直徑D/d=2 時不同管道入口距離L/d 時的壓力（靜壓）分布Fig.7 When the pipe diameter D/d=2 static pressure distribution at different pipe inlet distances L/d

產(chǎn)生這種情況的原因可以由圖8 所示的流動分布說明。APU 尾氣高速氣流的引射作用，周圍大氣經(jīng)過加速進(jìn)入排氣管道，并在排氣管道入口附近形成了渦流，大氣加速會導(dǎo)致其靜壓降低。同時，渦流的存在進(jìn)一步減小了有效流通面積，加劇了負(fù)壓。負(fù)壓區(qū)的存在改變了APU 排氣射流的擴(kuò)散條件，導(dǎo)致APU 排氣流量不變的情況下，所需排氣壓力的降低，影響了APU 正常工作參數(shù)。

圖8 管道直徑D/d=2、L/d=0 時的流動跡線Fig.8 Flow trace when pipe diameter D/d=2 and L/d=0

射流軸心處的速度和壓力如圖9 和圖10 所示。當(dāng)排氣管道入口距離L過近時，引射空氣在排氣管道入口形成的渦流減小了APU 射流的流通面積，迫使APU 射流軸心速度增大，排氣管道入口的負(fù)壓區(qū)導(dǎo)致APU 射流軸心壓力的降低。當(dāng)管道入口距離L/d超過1.5 時，APU 管道出口處（Z/d=0）的軸心速度和壓力基本恢復(fù)到自然射流狀態(tài)。

圖9 管道直徑D/d=2 時不同L 下的射流軸心速度Fig.9 Pipe diameter D/d=2 jet axis velocity at different L

圖10 管道直徑D/d=2 時不同L 下的射流軸心壓力Fig.10 Pipe diameter D/d=2 jet axial pressure at different L

不同排氣管道直徑D和排氣管道入口距離L時的APU 排氣總壓Po如圖11 所示?？梢钥闯觯嚯xL的對Po的影響最大，當(dāng)L/d=0 時，Po都偏小。隨著L的增大，Po逐漸增大。當(dāng)L/d超過2.0 時，Po基本不再變化，恢復(fù)至自然射流時狀態(tài)。同時直徑D對Po也有影響，D越大，Po恢復(fù)至自然狀態(tài)所需的L也越大。當(dāng)D/d=2.0，且L/d=1.5 時，Po就已基本恢復(fù)至自然狀態(tài)，對APU 正常工作參數(shù)無影響。

圖11 APU 排氣總壓Fig.11 APU exhaust gas total pressure

APU 對空氣的引射作用大小可用引射比ε來表征，其定義為引射的空氣質(zhì)量流量與APU 尾氣質(zhì)量流量之比。不同的排氣管道直徑D和排氣管道入口距離L時的引射比如圖12 所示。可以看出，引射比基本上與管道直徑成正比，而與排氣管道距離L的關(guān)系不大。

圖12 不同D 和L 時的引射比Fig.12 Ejection ratio at different D and L

不同排氣管道直徑D與排氣管道入口距離L時，最終的排放溫度如圖13 所示。假設(shè)APU 的高溫尾氣及被引射的空氣完全進(jìn)入排氣管道，不考慮其他因素，則最終的排放溫度tex與APU 尾氣溫度to及大氣溫度ta之間的關(guān)系可用式（1）計算，計算結(jié)果如圖14 所示。

圖13 不同D 和L 時的排放溫度texFig.13 Discharge temperature tex at different D and L

圖14 排放溫度與引射比之間的理論關(guān)系Fig.14 Relationship between discharge temperature and ejection ratio

對比圖13 和圖14 可以看出，在D/d=1.5、L/d≥2.0 及D/d=2.0、L/d≥4.0 時，排放溫度背離了式（1）的計算，即在引射比基本不變的情況下，排放溫度出現(xiàn)了下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)排氣管道直徑較小時，隨著排氣管道入口距離L的增大，引射的空氣已經(jīng)無法完全進(jìn)入排氣管道，部分被加熱的引射空氣又重新回到大氣，這就造成了部分能量的損失，導(dǎo)致最終的排氣溫度降低，如圖15 所示。由于部分高溫氣體重新回到實驗室，這也標(biāo)志著排氣失效。

圖15 D/d=1.5、L/d=2.5 時的流動跡線及溫度Fig.15 Flow trace and temperature when D/d=1.5, L/d=2.5

3.3 排氣管道出口壓力

由于最終的排放溫度較高，可能會在排氣管道的出口后采取降溫措施，如噴水降溫等，這將使得排氣管道的出口壓力產(chǎn)生變化。D/d=2.0、L/d=1.5 時，排氣管道出口壓力Pex的影響如圖16 所示?？梢钥闯觯琍ex對引射比ε有著較大的影響，基本上Pex每增大100 Pa，引射比ε降低0.116，同時也導(dǎo)致排放溫度隨著升高。隨著Pex的增大，APU 排氣總壓Po也隨著增大，但Pex小于600 Pa 時，Po變化較小，Pex＝600 Pa 時僅增大了5 Pa，Pex大于600 Pa，Po迅速增大，而排放溫度增大趨勢反而放緩。

圖16 D/d=2.0、L/d=1.5 時排氣管道出口壓力Pex 的影響Fig.16 When D/d=2.0 and L/d=1.5, the influence of the outlet pressure Pex of the exhaust pipe

Pex分別為500、600、700 Pa 時，流動跡線及溫度分布如圖17 所示。可以看出，當(dāng)Pex＝500 Pa 時，APU 高溫尾氣及被引射空氣尚能完全進(jìn)入排氣管道；Pex＝600 Pa 時，被引射空氣幾乎已經(jīng)無法進(jìn)入排氣管道，渦流區(qū)已經(jīng)從管道入口溢出；Pex＝700 Pa 時，APU 高溫尾氣也無法完全進(jìn)入排氣管道，產(chǎn)生了反流，進(jìn)而導(dǎo)致APU 排氣總壓的迅速增大。

圖17 D/d=2.0、L/d=1.5 時不同排氣管道出口Pex 的流動跡線及溫度Fig.17 When D/d=2.0 and L/d=1.5, the flow trace and temperature of Pex at the outlet of different exhaust pipes

3.4 管道入口形狀

由3.2 節(jié)的分析可知，管道入口區(qū)域渦流的存在加劇了負(fù)壓，可以通過在管道的入口加一個平滑收斂段來減小負(fù)壓，如圖18 所示。從圖18 中可以看出，在L/d=0 時，收斂段的存在明顯改善了管道入口附近的流動狀態(tài)，消除了渦流，負(fù)壓也大大減小，APU排氣總壓恢復(fù)到2 302 Pa。因此，增加收斂段，將降低管道距離L的影響程度，對排氣管道的安裝也相應(yīng)降低。

圖18 收斂管道D/d=2.0、L/d=0 時速度和壓力的分布Fig.18 Convergent pipeline D/d=2.0 (a) velocity and (b) pressure distribution when L/d=0

收斂管道與原始管道的對比如圖19 所示。可以看出，收斂管對于APU 排氣總壓的影響顯著變小，且隨著L的增大，APU 總壓最終為2 377 Pa，與自然射流時的一致。與此同時，L/d≤2.0 時，引射比也大于原始管道，但L/d＞2.0 時，引射比卻小于原始管道。

圖19 收斂管道與原始管道對比Fig.19 Convergent pipeline compared with the original pipeline

引射比減小的原因可從管道入口的質(zhì)量流量分布（如圖20 所示）看出，收斂段的存在阻礙了引射空氣的流動，導(dǎo)致其質(zhì)量流量分布產(chǎn)生了比較明顯的突變，引起總的質(zhì)量流量小于原始管道。

圖20 D/d=2.0、L/d＝2.5 時2 種管道入口質(zhì)量流量分布Fig.20 When D/d=2.0 and L/d=2.5, the inlet mass flow distribution of two kinds of pipelines

4 結(jié)論

通過以上的計算分析，可以得出以下結(jié)論：

1）通過排氣管道對APU 高溫尾氣進(jìn)行“被動排氣”是可行的。

2）排氣管道入口與APU 管道的出口距離L/d小于1.5 時，由于負(fù)壓區(qū)靠近APU 管道出口，引起APU總壓減小，利于APU 排氣。

3）引射比與排氣管道的直徑基本上成正比，排氣管道直徑D/d小于2.0 時，應(yīng)減小排氣管道入口與APU 管道的出口距離L，防止高溫氣體溢出管道，造成排氣失效。

4）排氣管道的出口壓力與引射比基本上成反比，且出口壓力增大到一定值時，將導(dǎo)致高溫氣體無法排出，APU 排氣總壓迅速增大。

5）可通過在排氣管道入口設(shè)置平滑收斂段的方式消除管道入口處的渦流，減輕負(fù)壓程度，且一定程度上提高引射比，將降低對排氣管道距離的安裝要求。

6）為保持APU 正常工作以及保持較低的排放量，比較適合的排氣管道設(shè)計為D/d=2.0、L/d=1.5，并在管道入口設(shè)置平滑過渡段。